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2022, 71 (5): 058504.
doi: 10.7498/aps.71.20211883
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传感器作为物联网技术的基石, 在人们的生产生活中发挥着重大作用. 其中, 基于隧穿磁阻效应(tunneling magnetoresistance, TMR)的磁传感器具有灵敏度高、尺寸小、功耗低等优点, 在导航定位、生物医学、电流检测和无损检测等领域具有极大的应用前景. 本综述以TMR传感器技术路线的发展为核心, 囊括了从基本传感单元到三维空间磁场检测, 再到实际应用的多个研究重点. 首先, 介绍了TMR传感器发展历程并阐明其基本工作原理, 讨论了提高单个传感单元磁隧道结输出线性度的方法. 接下来, 详细介绍了传感器的重要电路结构—惠斯通电桥, 以及制备TMR全桥结构的多种工艺方法. 进一步, 从三维空间磁场检测这一市场需求入手, 深入讨论了基于TMR传感器的三维传感结构的设计和制备方法. 同时, 以传感器灵敏度和噪声水平这两大基本性能为切入点, 列举了TMR传感器性能的优化方案. 最后, 本文对TMR传感器的应用展开了详细介绍, 以自旋麦克风, 生物传感器两个新兴应用为例, 对TMR传感器未来在物联网中的发展和应用进行了展望.
2022, 71 (3): 030501.
doi: 10.7498/aps.71.20211549
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为拓广离散忆阻器的研究与应用, 基于差分算子, 构建了具有平方非线性的离散忆阻模型, 并实现了Simulink仿真. 仿真结果表明, 设计的忆阻器满足广义忆阻定义. 将得到的离散忆阻引入三维混沌映射中, 设计了一种新型四维忆阻混沌映射, 并建立了该混沌映射的Simulink模型. 通过平衡点、分岔图、Lyapunov指数谱、复杂度、多稳态分析了系统复杂动力学特性. 本文从系统建模角度出发, 构建离散忆阻与离散忆阻混沌映射, 进一步验证了离散忆阻的可实现性, 为离散忆阻应用研究奠定了基础.
2022, 71 (3): 038803.
doi: 10.7498/aps.71.20211401
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当前锂离子动力电池电化学模型存在模型复杂、建模难度大、计算效率低、老化评估效果差的问题, 本文提出一种考虑电池衰退老化的机理模型(ADME). 本文首先通过有限差分法对伪二维(P2D)电化学模型进行离散降阶处理, 得到简化伪二维(SP2D)模型. 在SP2D模型的基础上, 基于阴阳两极发生的副反应导致的衰退老化现象, 提出一种考虑电池衰退老化的机理模型. 其次, 使用多变量偏差补偿最小二乘法实现模型参数辨识. 最后通过动力电池衰退老化性能循环实验, 对比分析了恒流、脉冲工况下SP2D模型和ADME模型的终端电压输出. 结果表明: ADME模型较为简单、计算效率和估算精度高, 可以有效评估电池容量老化衰退, 得到理想的锂离子动力电池外特性曲线.
2022, 71 (5): 050101.
doi: 10.7498/aps.71.20211504
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针对大规模多输入多输出(multiple input multiple output, MIMO)系统信道估计中的导频设计问题, 在压缩感知理论框架下, 提出了一种基于信道重构错误率最小化的自适应自相关矩阵缩减参数导频优化算法. 首先以信道重构错误率最小化为目标, 推导了正交匹配追踪(orthogonal matching pursuit, OMP)算法下信道重构错误率与导频矩阵列相关性之间的关系, 并得出优化导频矩阵的两点准则, 即导频矩阵列相关性期望和方差最小化; 然后研究了优化导频矩阵的方法, 并提出相应的自适应自相关矩阵缩减参数导频矩阵优化算法, 即在每次迭代过程中, 以待优化矩阵平均列相关程度是否减小作为判断条件, 调整自相关矩阵缩减参数值, 使参数不断趋近于理论最优. 仿真结果表明, 与采用Gaussian矩阵、Elad方法、低幂平均列相关方法得到的导频矩阵相比, 本文所提方法具有更好的列相关性, 且具有更低的信道重构错误率.
2022, 71 (2): 024202.
doi: 10.7498/aps.71.20211122
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用于在宽量程范围内标定原子磁力仪的灵敏度的复现磁场通常由精密电流源和标准线圈产生, 电流源噪声将直接影响原子磁力仪在宽量程范围内标定的灵敏度. 本文基于抽运-检测型原子磁力仪首先提出抑制复现磁场漂移的磁补偿方法, 其次开展宽量程范围内电流源的噪声和原子磁力仪的灵敏度之间依赖关系的研究. 研究结果表明, 抽运-检测型原子磁力仪的灵敏度主要由电流源噪声决定, 因此可用特定磁场下的灵敏度估算电流源在对应输出电流条件下的电流噪声. 本文研究对弱磁传感器灵敏度指标的标定、高精度电流源的研制、磁感应强度计量和电流计量的协同发展都具有参考价值.
2022, 71 (7): 070302.
doi: 10.7498/aps.71.20212197
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不确定关系是量子力学的基本特征之一, 随着量子信息理论的蓬勃发展, 不确定关系更是在其中发挥着重要的作用. 特别是将熵引入来描述不确定关系之后, 不确定关系在量子信息技术中涌现出多种应用. 众所周知, 熵不确定度关系已成为几乎所有量子密码协议安全分析的核心要素. 这篇综述主要回顾不确定关系的发展历史和最新研究进展, 从Heisenberg提出不相容测量其结果是不能被预测伊始, 许多学者在该观点的启发下, 做了进一步的相关扩展研究, 将可观测物体与环境之间的量子关联结合起来, 对不确定关系进行各种推广从而得到更普适的数学表达式. 除此以外, 本文还重点介绍了量子存储下的熵不确定度关系及其发展, 也介绍了在某些物理系统中对应的动力学特性. 最后讨论了熵不确定度关系在量子信息领域的各种应用, 从随机数到波粒二象性再到量子密钥分发.
2022, 71 (3): 030202.
doi: 10.7498/aps.71.20210969
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采用Tersoff势测试和研究了反向非平衡分子动力学中的Müller-Plathe法和Jund法在一维纳米管热传导中的应用. 在相同的模拟步数中, Müller-Plathe法可以得到很好的结果, 热导率在交换频率大于50时对参数的选择并不敏感. 然而, Jund法并不能得到良好的线性温度梯度, 其热导率在一定程度上依赖于选择的热流大小. 在此基础上, 运用Müller-Plathe法进一步研究了碳纳米管和碳化硅纳米管的长度、直径和温度对热导率的影响. 结果表明, 无论是碳纳米管还是碳化硅纳米管, 其长度、直径和温度对热导率的影响是一致的. 只要长度增加, 纳米管的热导率相应增大, 但增长速率不断降低. 直径对热导率的影响很大程度上还取决于温度, 在高温时, 直径对热导率几乎没有影响. 除此之外, 纳米管的热导率随着温度的增加总体上也是不断降低的, 但峰值现象的出现还受纳米管长度的影响.
2022, 71 (6): 064201.
doi: 10.7498/aps.71.20211582
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宇宙射线缪子吸收成像技术是一种无损成像技术, 适用于对大尺度的成像目标进行无损探测. 考古学中现有的无损探测方法均存在一定的局限性, 若将缪子吸收成像技术应用于考古领域, 可以作为对传统无损探测方法的重要补充. 本文使用蒙特卡罗GEANT4程序, 对秦始皇陵地宫缪子吸收成像进行研究, 基于已有的秦始皇陵考古数据构建秦始皇陵地宫模型, 根据Reyna提出的海平面缪子能谱公式抽样产生缪子源的信息, 模拟了宇宙射线缪子在秦始皇陵地宫中的输运过程, 并利用图像重建算法实现墓室大小和位置的重构. 模拟结果表明, 利用单视角获得的缪子通量投影数据可以给出地宫中墓室边界的二维角坐标, 利用两个视角的投影数据可以重建墓室大小和三维位置, 重建得到的墓室边长和墓室中心位置相对于理论值的差异在7%左右.
2022, 71 (11): 110703.
doi: 10.7498/aps.71.20220380
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红外探测器具有把物体辐射的光子信息转换为电信号的能力, 拓宽了人们观察自然环境与人类活动的边界. 当前, 长波及甚长波红外探测器已在大气监测、夜间侦查、深空探测等领域有诸多应用. 随着各国对高端红外探测器要求的快速提升, 传统红外探测器难以兼顾高响应率、高响应速度以及多维探测等性能指标的瓶颈日益凸显. 基于微纳光学理论设计的人工微纳结构, 可实现其与红外光子的高效耦合, 综合调控红外光场的振幅、偏振、相位及波长等自由度. 为拓展红外探测器额外的调控自由度, 进而在实现高量子效率的同时, 兼顾较高的响应速率与优异的偏振或波长选择性, 集成红外探测器与人工微纳结构的研究思路近年来被广泛应用. 本文讨论了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测领域的应用进展, 详述了表面等离激元、局域等离激元、谐振腔结构、陷光结构、超透镜、赝表面等离激元、间隙等离激元和声子极化激元等机制的应用现状及各机制固有的优劣势, 进而指出了人工微纳结构在长波及甚长波红外探测应用的发展前景与方向.
2022, 71 (5): 050501.
doi: 10.7498/aps.71.20211656
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可视图(visibility graph, VG)算法已被证明是将时间序列转换为复杂网络的简单且高效的方法, 其构成的复杂网络在拓扑结构中继承了原始时间序列的动力学特性. 目前, 单维时间序列的可视图分析已趋于成熟, 但应用于复杂系统时, 单变量往往无法描述系统的全局特征. 本文提出一种新的多元时间序列分析方法, 将心梗和健康人的12导联心电图(electrocardiograph, ECG)信号转换为多路可视图, 以每个导联为一个节点, 两个导联构成可视图的层间互信息为连边权重, 将其映射到复杂网络. 由于不同人群的全连通网络表现为完全相同的拓扑结构, 无法唯一表征不同个体的动力学特征, 根据层间互信息大小重构网络, 提取权重度和加权聚类系数, 实现对不同人群12导联ECG信号的识别. 为判断序列长度对识别效果的影响, 引入多尺度权重度分布熵. 由于健康受试者拥有更高的平均权重度和平均加权聚类系数, 其映射网络表现为更加规则的结构、更高的复杂性和连接性, 可以与心梗患者进行区分, 两个参数的识别准确率均达到93.3%.
2022, 71 (4): 048502.
doi: 10.7498/aps.71.20212033
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二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族, 而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一. 二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象, 以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台. 本文从二维材料的转移技术着手, 介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用. 首先, 依据湿法转移和干法转移的分类, 详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术, 内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁. 随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用, 重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构, 并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用. 因此, 二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.
2022, 71 (2): 023601.
doi: 10.7498/aps.71.20211876
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传统高分子聚合物是良好的电绝缘体和热绝缘体. 高分子聚合物具备质量轻、耐腐蚀、可加工、可穿戴、电绝缘、低成本等优异特性. 高分子聚合物被广泛应用于各种器件. 由于高分子材料的热导率比较低(0.1—0.5 W·m–1·K–1), 热管理(散热)面临严峻的挑战. 理论及实验工作表明, 先进高分子材料可以具有比传统传热材料(金属和陶瓷)更高热导率. Fermi-Pasta-Ulam (FPU)理论结果发现低维度原子链具有非常高的热导率. 广泛使用的聚乙烯热绝缘体可以被转变为热导体: 拉伸聚乙烯纳米纤维的热导率大约为104 W·m–1·K–1, 拉伸的聚乙烯薄膜热导率大约为62 W·m–1·K–1. 首先, 本文通过理论和实验结果总结导热高分子材料的传热机理研究进展, 并讨论了导热高分子聚合物的制备策略; 然后, 讨论了在传热机制及宏量制备方面, 高分子聚合物研究领域所面临的新挑战; 最后, 对导热高分子的热管理应用前景进行了展望. 例如, 导热高分子聚合物在耐腐蚀散热片、低成本太阳能热水收集器、可穿戴智能冷却服饰、电子绝缘却高导热的电子封装材料等领域具有不可替代的热管理应用前景.
2022, 71 (1): 010101.
doi: 10.7498/aps.71.20212307
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欣逢杨振宁先生百年诞辰, 已有不少文章总结了杨先生对当代物理学发展的重要科学影响. 笔者认为, 作为当代最伟大的理论物理学家之一, 杨先生不仅以诸多具体的科学贡献推动了当代物理学革命性的进步, 而且其独特的科学风格在国际学术界独树一帜, 其学术思想更是深邃隽永、对中国和世界的物理学发展有长远的启发作用. 笔者将结合学习杨振宁科学思想的体会, 联系自己在理论物理研究方面的科学实践(包括在1992—1994年跟随杨先生对量子开系统、超导相变和冷原子物理方面的探索), 对当代理论物理发展趋势提出一些个人的看法. 文章将通过具体实例, 阐述为什么要做“美或有用”的理论物理; 为什么基本物理的理论在一段时间内可以与直接的实验验证保持距离? 对于后者, 本文还从科学方法论(哲学)的角度就理论预言与实验证实的关系进行较为深入的讨论. 着眼于“有用”的理论物理-应用理论物理, 笔者强调了国家需求驱动的科学研究与自由探索一样, 也会导致基础物理的重要突破.
2022, 71 (1): 018802.
doi: 10.7498/aps.71.20211074
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由于具有适合的带隙和较高的稳定性, CsPbIBr2无机钙钛矿被认为是一种较有前景的太阳能电池光吸收材料. 但是目前报道的CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池效率还偏低, 主要原因是制备的CsPbIBr2钙钛矿膜质量差、缺陷多. 本文通过将醋酸纤维素(CA)加入CsPbIBr2钙钛矿前驱体溶液中改善CsPbIBr2钙钛矿结晶过程, 从而制备高质量的CsPbIBr2钙钛矿膜. 实验结果表明, CA中的C=O基团与前驱体溶液中的Pb2+间存在明显的相互作用, 这种相互作用结合CA加入引起的前驱体溶液粘度增加, 使CsPbIBr2钙钛矿的结晶速率明显降低, 从而制备了致密、结晶度高、晶粒尺寸大、晶界和缺陷少的高质量CsPbIBr2钙钛矿膜. 同时, CA的保护作用显著提高了CsPbIBr2钙钛矿膜的稳定性. 用碳材料层作为空穴传输层和背电极, 制备结构为FTO/TiO2/CsPbIBr2钙钛矿膜/碳层的碳基CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池. 在100 mW/cm2光照下, CA-CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池的效率达到7.52%, 比未加CA的CsPbIBr2钙钛矿电池提高了40%. 同时, 将CA-CsPbIBr2钙钛矿太阳能电池在空气环境中贮存800 h, 其效率仍保持初始值的90%以上, 表明具有较高的长期稳定性.
2022, 71 (1): 017104.
doi: 10.7498/aps.71.20210238
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在纳米逻辑器件中, 制造低的肖特基势垒仍然是一个巨大的挑战. 本文采用密度泛函理论研究了非对称氧掺杂对石墨烯/二硒化钼异质结的结构稳定性和电学性质的影响. 结果表明石墨烯与二硒化钼形成了稳定的范德瓦耳斯异质结, 同时保留了各自的电学特性, 并且形成了0.558 eV的n型肖特基势垒. 此外, 能带和态密度数据表明非对称氧掺杂可以调控石墨烯/二硒化钼异质结的肖特基接触类型和势垒高度. 当氧掺杂在界面内和界面外时, 随着掺杂浓度的增大, 肖特基势垒高度都逐渐降低. 特别地, 当氧掺杂在界面外时, n型肖特基势垒高度可以降低到0.112 eV, 提高了电子的注入效率. 当氧掺杂在界面内时, n型肖特基接触转变为欧姆接触. 平面平均电荷密度差分显示随着掺杂浓度的增大, 界面电荷转移数量逐渐增多, 导致费米能级向二硒化钼导带底移动, 证实了随着氧掺杂浓度增大肖特基势垒逐渐降低, 并由n型肖特基向欧姆接触的转变. 研究结果将对基于石墨烯的范德瓦耳斯异质结肖特基势垒调控提供理论指导.
2022, 71 (6): 060202.
doi: 10.7498/aps.71.20211625
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磁性材料是信息时代重要的基础材料, 不同的磁性基态是磁性材料广泛应用的前提, 其中铁磁基态是高性能磁性材料的关键要求. 本文针对材料项目数据库中的无机磁性材料数据, 采用机器学习技术实现无机磁性材料铁磁、反铁磁、亚铁磁和顺磁基态的分类以及无机铁磁性材料磁矩的预测. 提取了材料的元素和结构属性特征, 通过两步式特征选择方法分别为磁性基态分类和磁矩预测筛选了20个材料特征, 发现材料特征中的电负性、原子磁矩和原子外围轨道未充满电子数对两种磁性性能具有重要贡献. 基于机器学习的随机森林算法, 构建了磁性基态分类模型和磁矩预测模型, 采用10折交叉验证的方法对模型进行定量评估, 结果表明所构建的模型具有足够的精度和泛化能力. 在测试检验中, 磁性基态分类模型的准确率为85.23%, 精确率为85.18%, 召回率为85.04%, F1分数为85.24%; 磁矩预测模型的拟合优度为91.58%, 平均绝对误差为0.098 μB/atom. 本研究为无机铁磁性材料的高通量分类筛选与磁矩预测提供了新的方法和选择, 可为新型无机磁性材料的设计研发提供参考.
2022, 71 (4): 043102.
doi: 10.7498/aps.71.20211565
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高温下蒙脱石的膨胀特性在核废料深部封存、二氧化碳封存及页岩气开发等应用中有着重要影响, 但相关机理尚不明确. 本工作使用分子动力学模拟为技术手段计算5 MPa和298—500 K等条件下, 1.40—4.00 nm晶面间距(d)的一系列饱和钙蒙脱石的膨胀压力. 以模拟所得的数值结果为依据, 基于水化效应、双电层效应和离子关联效应等模型推演膨胀压力随温度与d的变化规律, 并与相应的实验数据进行对比. 模拟结果表明, 当d较小时, 因为高温会弱化水化力的强度, 钙蒙脱石膨胀压力震荡的幅度降低, 同时水化力作用的d的范围减小. 当d较大时, 因为高温强化离子关联效应, 膨胀压力降低, 同时双电层力的作用的d的范围增加. 在较高温度和较大d时, 膨胀压力为收缩力, 阻碍膨胀. 这些膨胀压力的变化规律与前期钠蒙脱石体系的研究类似. 然而, 通过对比两种蒙脱石体系的模拟结果, 发现两种体系存在显著的差异—钙蒙脱石比钠蒙脱石更难膨胀到较大的d.此模拟结果与前人实验观测的结果相符. 我们进一步将此差异归于钙蒙脱石的离子关联效应要远大于钠蒙脱石. 有别于分子模拟中对于离子关联效应的精确描述, 连续化的Poisson-Boltzmann方程因为忽略了离子关联效应, 从而无法表达出与两种体系模拟结果都相吻合的膨胀压力变化规律.
2022, 71 (1): 014203.
doi: 10.7498/aps.71.20211411
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本文针对部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性开展研究, 首先建立了部分相干幂指数相位涡旋光束的传输理论模型; 然后, 仿真研究了部分相干幂指数相位涡旋光束在自由空间和ABCD光学系统中的传输特性, 研究结果表明部分相干幂指数相位涡旋光束在自由空间传输时, 拓扑荷数、幂指数和相干长度都对光强的分布有着一定的影响, 而随着传播距离的增大光斑的面积逐渐增大; 当光束在聚焦系统中传输时, 只有拓扑荷数和幂指数的变化会影响光强的分布, 而相干长度对光束整体强度的分布没有太大的影响, 只影响了光斑的质量. 本文研究成果揭示了部分相干幂指数相位涡旋光束的传输特性, 为其在光学捕获等领域的应用打下了理论基础, 对促进新型光场调控理论及应用研究具有重要的意义.
2022, 71 (1): 014201.
doi: 10.7498/aps.71.20211312
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本文设计了一种双层开口方环和双C型结构的超材料结构, 在太赫兹波段具有双波段的类电磁诱导透明效应. 该结构在1.438 THz和1.699 THz处出现透射峰. 通过电磁场分布分析讨论产生双频带电磁诱导透明的原因, 利用等效电路分析方法进一步解释了超材料中的类电磁诱导透明效应. 研究了超材料开口方环的开口大小和双C型结构距离以及改变入射角度时对透射窗口的影响, 结果发现在改变入射角度时, 所设计材料透射谱线变化较大, 表现出对角度的高敏感性. 同时, 改变环境的介电常数可以得到该结构的透射谱产生明显的红移. 以上研究结果表明该结构在角度滤波器, 折射率传感器等器件中有潜在的应用.
2022, 71 (1): 017103.
doi: 10.7498/aps.71.20210400
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采用自旋极化密度泛函理论(DFT)并结合周期平板模型的方法, 研究了NH3在TaC表面的吸附和分解反应机理. 表面能计算结果显示, 以Ta为终止的TaC(0001)面为最稳定的表面; NH3分子通过其孤对电子优先吸附在顶位top位, 而NH2和H最稳定吸附位置为三重hcp位, NH和N吸附在三重fcc位. 过渡态结果表明氮原子的复合反应脱附为整个反应的限速步骤. 电子结构计算结果表明, NH3分子及其片段通过其N原子的2pz轨道与底物Ta的5$ {\rm d}_{z^2} $ 轨道混合吸附于表面. 随着脱氢反应的进行, 电荷转移现象变得逐渐明显, 吸附质和底物之间的电荷转移在加速NH3脱氢催化过程中发挥重要作用.
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